In unmanned aerial vehicles (UAV), the high temperature results from friction among the air, combustion of fuel in engine and combustion gas of a nozzle. The high temperature may cause serious damages in UAV structure. The Functionally Graded Material (FGM) is chosen as a material of thc engine duct structure. Thermal stress analysis of FGM is performed in this paper. FGM is composed of two constituent materials that are mixed up according to the specific volume fraction distribution in order to withstand high temperature. Therefore, hoop stress, axial stress and shear stress of duct with 2 layers, 4 layers and 8 layers FGM are compared and analyzed respectively. In addition, the creep behavior of FGM used in duct structure of an engine is analyzed for better understanding of FGM characteristics.
This paper presents forced vibration analysis of sandwich deep beams made of functionally graded material (FGM) in face layers and a porous material in core layer. The FGM sandwich deep beam is subjected to a harmonic dynamic load. The FGM in the face layer is graded though the layer thickness. In order to get more realistic result for the deep beam problem, the plane solid continua is used in the modeling of The FGM sandwich deep beam. The equations of the problem are derived based the Hamilton procedure and solved by using the finite element method. The novelty in this paper is to investigate the dynamic responses of sandwich deep beams made of FGM and porous material by using the plane solid continua. In the numerical results, the effects of different material distributions, porosity coefficient, geometric and dynamic parameters on the dynamic responses of the FGM sandwich deep beam are investigated and discussed.
Broad writing on the examination of sandwich structures mirrors the significance of incorporating thermal loadings during their investigation stage. In the current work, an endeavor has been made to concentrate on sandwich FGM beams' bending behaving under thermal loadings utilizing shear deformation theory. Temperature-dependent material properties are used during the analysis. The formulation includes the transverse displacement field, which helps better predict the behavior of thick FGM beams. Three-different thermal profiles across the thickness of the beam are assumed during the analysis. The study has been carried out on both symmetric and unsymmetric sandwich FGM beams. It has been observed that the bending behavior of sandwich FGM beams is impacted by the temperature profile to which it is subjected. Power-law exponent and thickness of core also affect the behavior of the beam.
In this paper, a new approach of interface stress analysis in steel beam strengthened by porous FGM (Functionally Graded Materials) is presented to calculate the shear stress in the hybrid steel beam and loaded by a uniformly distributed load. The results show that there exists a high concentration of shear stress at the ends of the imperfect FGM, which might result in premature failure of the strengthening scheme at these locations. A parametric study has been conducted to investigate the sensitivity of interface behavior to parameters such as the rigidity of FGM plate (degree of homogeneity), the porosity index of FGM and the thickness of adhesive all were found to have a marked effect on the magnitude of maximum shear stress in the FGM member. we can conclude that the new approach is general in nature and may be applicable to all kinds of materials.
The objective of this work is to study the wave propagation of an FGM plate via a new integral inverse shear model with temperature-dependent material properties. In this contribution, a new model based on a high-order theory field of displacement is included by introducing indeterminate integral variables and inverse co-tangential functions for the presentation of shear stress. The temperature-dependent properties of the FGM plate are assumed mixture of metal and ceramic, and its properties change by the power functions of the thickness of the plate. By applying Hamilton's principle, general formulas of wave propagation were obtained to plot the phase velocity curves and wave modes of the FGM plate with simply supported edges. The effects of the temperature and volume fraction by distributions on wave propagation of the FGM plate are investigated in detail. The results of the dispersion and the phase velocity curves of the propagation wave in the functionally graded plate are compared with previous research.
The basic concept of functionally gradient materials (FGM) is to fabricate materials type having possibilities of applications in various fields by changing their intrinsic properties with continuous gradient. The present communication has reviewed the developments and applications of various FGMs designed for improved thermo-mechanical properties, in which the thermal protective and wear resistant materials are especially focused. Effects of thermo-mechanical properties and limits of FGMs designed for high temperature applications were mainly understood in terms of residual stress evolved from the design and fabrication. In addition, FGMs applied in structural parts were also introduced and discussed in terms of typical fabrication method for FGMs.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2012.02a
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pp.524-524
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2012
Thermal Barrier Coating (TBC)은 미사일, 로켓발사체와 같이 고온에 노출되는 장비를 열로부터 보호하기 위한 코팅이다. 일반적인 Thermal Barrier Coating (TBC)은 모재와 코팅층간의 낮은 접합력과 높은 열충격으로 인한 박리가 많이 나타난다. 그래서 접합력을 높이고, 열충격을 줄이기 위해 모재와 코팅층 사이에 본드코팅층을 만든 Duplex - Thermal Barrier Coating (Duplex-TBC)이 개발되었다. 그러나 Duplex - Thermal Barrier Coating (Duplex-TBC)은 금속재료인 본드코팅층과 세라믹재료인 탑코팅층 사이에서 박리가 많이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 두 가지 분말을 동시에 코팅하여 본드코팅과 탑코팅의 경계가 없는 Functional Gradient Material - Thermal Barrier Coating (FGM-TBC)의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 Functional Gradient Material - Thermal Barrier Coating (FGM-TBC)의 열충격 특성에 미치는 진공 플라즈마 용사 조건의 영향을 조사하였다. Functional Gradient Material - Thermal Barrier Coating (FGM-TBC)는 진공 플라즈마 용사장치를 사용하여 Cu-Cr 합금위에 코팅하였다. 거리, Carrier gas flow, 그리고 챔버 내부의 압력을 달리하여 제조하였다. 사용한 분말은 본드코팅용으로 Amdry 962와 내열 세라믹코팅을 위해 204NS를 사용하였고, 각각 분말 공급조건을 조절하여 두 분말의 비율을 달리하였다. 제조한 Functional Gradient Material - Thermal Barrier Coating (FGM-TBC) 코팅은 전기로에서 50분간 가열한 후, 수조에서 10분간 냉각하는 열충격 실험을 통해 열차폐 성능을 평가 하였다. 이러한 과정에서 진공 플라즈마 용사 조건 및 FGM 조성과 비율이 내열충격 특성에 미치는 영향을 미세조직학적 관점에서 고찰하였다.
Functionally gradient materials(FGM), which have the continuous or stepwise variation in a composition and microstructure, are being noticed as the material that solves problems caused by heterogeneous interface of coating or joining. And these materials also expect new functions occured by gradient composition itself. Therefore, to examine possibility of thermal barrier materials, TZP/Mo·FGM and TZP/Ni·FGM were fabricated by sintering method. As to the sintered specimens, sintering shrinkage, relative density and Vicker's hardness in each composition were examined. The phenomena due to the difference of sintering shrinkage velocity during sintering process and the thermal stress induced through differences of thermal expansion coefficient in FGM were discussed. And the structure changes at interface and microsturcture of FGM were investigated. As a results, the difference of shrinkage between ceramic and metal was about 14% in TZP/Mo and 7% in TZP/Ni. The relative density and hardness were considerably influenced by metal content changes. Owing to unbalance of sintering shrinkage velocity between ceramic and metal, various sintering defects were occured. To control these sintering defects and thermal stress, gradient composition of FGM should be narrow. The microstructure changes of FGM depended on the ceramic or metal volume percents and were analogous to the theoretical design.
Anandrao, K. Sanjay;Gupta, R.K.;Ramchandran, P.;Rao, G. Venkateswara
Structural Engineering and Mechanics
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v.36
no.5
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pp.545-560
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2010
Two or more distinct materials are combined into a single functionally graded material (FGM) where the microstructural composition and properties change gradually. Thermal post-buckling behavior of uniform slender FGM beams is investigated independently using the classical Rayleigh-Ritz (RR) formulation and the versatile Finite Element Analysis (FEA) formulation developed in this paper. The von-Karman strain-displacement relations are used to account for moderately large deflections of FGM beams. Bending-extension coupling arising due to heterogeneity of material through the thickness is included. Simply supported and clamped beams with axially immovable ends are considered in the present study. Post-buckling load versus deflection curves and buckled mode shapes obtained from both the RR and FEA formulations for different volume fraction exponents show an excellent agreement with the available literature results for simply supported ends. Response of the FGM beam with clamped ends is studied for the first time and the results from both the RR and FEA formulations show a very good agreement. Though the response of the FGM beam could have been studied more accurately by FEA formulation alone, the authors aim to apply the RR formulation is to find an approximate closed form post-buckling solutions for the FGM beams. Further, the use of the RR formulation clearly demonstrates the effect of bending-extension coupling on the post-buckling response of the FGM beams.
In this work, the static behavior of FGM macro and nano-plates under thermomechanical loading. Equilibrium equations are determined by using virtual work principle and local and non-local theory. The novelty of the current model is using a new displacement field with four variables and a warping function considering the effect of shear. Through this analysis, the considered sandwich FGM macro and nanoplates are a homogeneous core and P-FGM faces, homogeneous faces and an E-FGM core and finally P-FGM faces and an E-FGM core. The analytical solution is obtained by using Navier method. The model is verified with previous published works by other models and very close results are obtained within maximum 1% deviation. The numerical results are performed to present the influence of the various parameters such as, geometric ratios, material index as well as the scale parameters are investigated. The present model can be applicable for sandwich FG plates used in nuclear, aero-space, marine, civil and mechanical applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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